ABB变频器在新型自粘型防水卷材生产线中的应用

引言
防水卷材是一种常用的建筑材料，目前已广泛应用于工业与民用建筑领域，如工业与民用建筑的屋面防水、建筑物地下防水以及隧道、粮库、人防工程、垃圾掩埋场和人工湖防水等。
在对卷材做防水处理时，传统的方法都是先将涂胶涂于地面，再铺上卷材。但是，这种方法不仅工作量繁琐，而且地面胶水与卷材的贴合程度不理想，防水效果不佳。新型防水卷材生产线的出现，很好地解决了这一问题。它引入了PLC和变频器，并实现了Profibus DP现场总线的完好通信，在优化系统控制以确保设备性能更加稳定的同时，极大地提升整条生产线的自动化程度。与传统的防水卷材相比，由该生产线生产的新型自粘型热塑性橡胶防水卷材在使用时只需撕掉外膜，平铺后，即可自动粘贴于建筑物表面，不仅粘贴更牢，而且方便快捷。除了具有优异的防水性能，新型防水卷材还具有较强的抗渗透性、较强的耐高温和低温性能、较好的强度、延伸率和耐老化性等特点。
新型片材机生产线
片材机生产线主要由主挤出机、模具、三辊压光机、输送台、牵引机、涂胶机、覆膜机和收卷机等组成，其生产流程（如图1所示）为：将配比好的固态粒子原料由自动送料机输送到料仓中，并在料筒中加热塑化或熔化。然后，由机头定量挤出一定厚度（1.0~2.0mm）的片材，而特定的模具决定了最终产品的形状。制得的片材再由三辊压光机进行抛光处理，并经输送机和牵引机输送至涂胶辊上，此时由涂胶挤出机机头挤出的胶水将均匀地涂覆于片材表面。覆膜辊上附有一层塑料薄膜，当经涂胶后的片材经过覆膜辊时，其上的塑料薄膜将附着于片材的涂胶面上，这也是新型片材机生产线能够生产出自粘型卷材的关键所在。覆膜后的片材经过修边单元的切刀进一步修正，可以得到幅宽一致（1.2~2.0m）的成品，最后收卷成固定卷径的卷材。

图1 片材机生产线的流程示意图

控制系统的配置情况
在整条生产线中，控制系统的好坏将直接影响生产的顺利进行。该生产线的控制系统（其结构如图2所示）采用了西门子的S7-300 PLC控制器，这是整条生产线的“大脑”，主要控制各个设备的起停、顺序和速度等。PLC和变频器之间通过配置Profibus-DP适配器实现通信，同时将人机界面连入DP网，这样，变频器的频率给定、起停信号、当前状态和故障信息等都可通过PLC进行读/写，再由人机界面显示。因此，在功能完全满足要求的同时，整条生产线还实现了网络化和智能化。

图2 生产线的控制系统结构图

除了压光辊和冷却辊使用的是伦茨伺服系统外，生产线的其他主要设备均使用了ABB各系列的变频器，共11台（具体产品信息见表）。

ABB变频器的使用情况
1. DCS800直流传动
单螺杆挤出机作为主机设备，是整个生产线的核心，其运行状况直接决定了最终产品的品质。因此，应用其上的驱动电动机要求具有可变速、启动转矩大、低速转矩大（典型螺杆的转速<100r/min）以及转矩和转速稳定等特点。鉴于直流传动具有优越稳定的调速性能，自20世纪四五十年代至今，高性能的可调速传动均采用直流电动机。
传统的直流调速装置调试难度大、稳定性差且故障率高，因此维修成本较高。相比之下，ABB DCS800直流传动经历几代产品的升级后，不仅性能稳定，而且调试简单，在正常的使用情况下一般不会出现问题，可以节省用户大量时间。使用DCS800直流传动来驱动主挤出机的电动机，不仅可满足上述要求，保证产品品质，而且体积小、重量轻且使用方便，具体表现在：其助手型控制盘能够为客户提供简便的操作界面；在弱磁运行时仍具有卓越的动态控制特性；内置的三相励磁单元可减少外部硬件；内置的Modbus可支持安装在模块内部的其他多种总线适配器；可使用自定义编程和IEC61131编程工具自行编制应用程序等。另外，先进的软件功能可为所有传统应用的升级提供必要的支持，如12-脉波、同步控制、双电机操作和磁场反向等。
2. ACS550变频器
为保证挤出物的大小和厚度一致均匀，主机计量泵输送给机头的熔融物料必须实现精确的计量。由于熔融物料的黏度较大，因此要求计量泵的转矩性能要好，同时还能够对计量泵进行调速，以保持其与主机驱动电机的速度匹配。
与主挤出机的原理一样，涂胶挤出机从机头挤出均匀的胶状物，并将其涂覆于牵引辊上经过的卷材表面，这其间同样需要保持涂胶挤出机和挤出机头的同步运行。
牵引辊在对经过的片材进行牵引拉伸时，需要保证牵引辊与片材之间不能打滑，因此，牵引辊应有足够的牵引力，以保证其对经过的片材施以足够的牵引力和克服纵向分切刀。由于牵引电机的转速决定了其线速度，因此，在实际生产过程中，还需要根据牵引辊的直径、减速机的减速比以及张力等情况对牵引电机进行调速。
ACS550交流变频器是ABB的低压标准传动产品，有标量和无传感器速度矢量两种控制方式，适用于风机和泵类的平方转矩型负载和恒转矩负载应用。其硬件上内置了标配RS485接口，可使用Modbus、交/直流电抗器有效抑制谐波、EMC滤波器和制动斩波器等，功率范围为0.75~160kW。其中，ACS550矢量型变频器具有调速精度高、响应快、低速性能好以及转矩特性好的优点，而且性能稳定，可满足计量泵、涂胶挤出机和牵引电机的调速要求，从而有效确保产品的高质量生产。
3.ACS350变频器
在整条生产线中，滚刀电机和切刀电机主要负责对输送台上经过的片材的两侧进行修正剪裁，以保证产品的规格统一，而覆膜牵引电机则主要负责在薄膜卷放卷后，将薄膜覆在片材的涂胶面上。为了保证薄膜均匀地平铺于片材上，需要对覆膜牵引电机进行调速，使薄膜的线速度与输送片材的线速度实现匹配。
ACS350交流变频器是ABB的通用机械传动产品，功率范围为0.37~22kW。该产品虽然是基本型产品，但是软件具有高智能性，且功能强大，可提供自带顺序编程等多种功能，方便客户实现简单的逻辑控制。由于以上设备均为小功率电机，使用ACS350小传动变频器能够完全达到生产对调速精确度的要求。另外，该变频器还可配置总线通信适配器，实现与PLC的通信，从而更好地满足系统要求。
4.变频器与PLC的Profibus-DP通信
在该生产线中，ABB DCS800和ACS550的Profibus总线适配器都是RPBA-01，而ACS350的适配器为FPBA-01。尽管变频器所使用的适配器的型号不同，但它们与S7-300 PLC通信的原理和实现方法是一样的。首先，用DP网线将变频器适配器和PLC连接起来，这时需要注意，DP网两端的站要打开终端电阻，否则网络将不通。然后，在PLC的Step7编程软件中，按如下步骤进行设置：
（1）导入ABB变频器的GSD文件，其中，RPBA-01对应的文件是ABB_0812.gsd，而FPBA-01对应的是ABB0959.gsd。
（2）在Step7编程软件中进行硬件组态，将FPBA-01和RPBA-01适配器添加至DP网构架中（如图3所示）。

图3 在Step7编程软件中进行硬件组态

（3）设置各变频器的DP站号，在“属性”中修改通信速率等信息。
（4）选择RPBA-01应用的传动配置文件，并对其进行相应的参数设置（如图4所示）。需要注意的是，将“Vendor specfic”选项选择为对应于ABB传动协议的16位数据定义格式，以更有利于实现通信。另外，还要注意保持网络上所有的变频器DP从站的数据格式的一致性，否则将出现问题。而FPBA-01的传动协议配置文件可在变频器参数5105中进行选择设置。

图4 在Step7编程软件中对RPBA-01应用的传动配置文件进行设置

（5）对PPO数据类型进行选择，使每个变频器DP从站的地址实现自动分配（如图5所示）。根据所选的PPO类型的数据定义格式，用户可直接获得每个变频器的控制字、状态字、给定值和实际值等在PLC中对应的读/写地址。

图5 对PPO数据类型进行选择，使每个变频器DP从站的地址实现自动分配

（6）硬件组态完成后，进行编译下载。实际上，只需进行简单的参数设置，变频器即可成功实现通信。具体操作过程为：将参数98.02（通讯协议选择）改为EXT FBA（外部总线适配器）；将参数51.02（站点号）改为PLC硬件组态中设置的站点号；对于FPBA-01，需将参数5105 PROFILE选为ABB DRIVES（ABB协议）或PROFIdrive，与RPBA-01选择的文件一致；51组中其他相关参数将自动检测读取，不需设置，而与通信相关的参数经过修改后，需通过参数5127刷新后才可生效；变频器中的其他组参数，如10组、11组、16组，90组和92组等，可根据用户的不同要求进行设置。
结语
在实际生产过程中，ABB变频器具有精确的控制性能，而且能够与PLC和人机界面等上位机进行顺畅通信，从而确保了产品的高质量和整个系统的高效运行，同时还达到了节能的目的。
目前，本文介绍的新型自粘型防水卷材片材机生产线已经调试成功，并即将正式投产使用。